Peut-on utiliser les BFUP (Bétons fibrés à ultra-hautes performances) en zone sismique ?

Les informations sur le BFM (Bétons de fibres métalliques) sont accessibles depuis plusieurs années et sont intéressantes à analyser. Elles semblent permettre  de différencier deux comportements différents : le 1er concerne le BFUP sans complément d’armatures passives, le 2sd traite de l’association de BFUP avec des armatures passives. Le fond du problème est de juger de la capacité du BFUP à reprendre les efforts de traction induit par une sollicitation sismique.

LES BFM (BFUP?) SANS COMPLEMENT D’ARMATURES PASSIVES

Le cas de de charge sismique (sollicitation majoritairement de type alterné) peut être représenté par un faible nombre de cycles de grande amplitude qui sollicite les sections en traction et compression.
Les nombreux essais de la littérature montrent que des sections de BFM se comportent moins bien que des sections Béton Armé.
[Les bétons de fibres métalliques - Pierre Rossi - Presses Pont & chaussée] Dans le cas de poteaux d'ossature, les déplacements relatifs fibres-matrice sont incompatibles avec le fonctionnement mécanique des fibres. L'ouverture des fissures créées dès le premier cycle vient irrémédiablement déchausser les fibres, conduisant à la ruine rapide de la section.
Nous pouvons souligner les résultats d’une étude sur la pertinence de la réalisation de pieux en béton de fibres métalliques en zone sismique. Bien que celle-ci ai été réalisé avec des BFM « classiques », elle aboutit notamment aux conclusions suivantes :
- D’un point de vue résistance : en flexion simple ou composée avec traction, les fibres ne peuvent pas apporter
Il semble que l’expérience ait montré que les mécanismes en présence sont identiques aux BFM et BFUP.

BFUP sans armatures passives --> En traction directe ou en flexion alternée, il existe un risque important lors de l'ouverture des fissures créées dès le premier cycle de venir irrémédiablement déchausser les fibres, et de conduire à la ruine rapide de la section.

BFUP AVEC COMPLEMENT D’ARMATURES PASSIVES

Les études réalisées tendent à une utilisation des fibres en complément ou en substitution d'une partie du ferraillage d'effort tranchant [Les bétons de fibres métalliques - Pierre Rossi - Presses Pont & chaussée] .
Il a été également constaté que l'éclatement rapide du béton d'enrobage habituellement constaté dès les deux ou trois premiers cycles n'a plus cours avec l’utilisation de fibre en quantité suffisante. Le confinement des armatures reste effectif et leur fonctionnement par ancrage mécanique en partie assuré [Les bétons de fibres métalliques - Pierre Rossi - Presses Pont & chaussée] .
L’exemple d’une réhabilitation sismique de piliers de ponts rectangulaires à l’aide d’un chemisage en BFUP [Seismic retrofitting of bridge piers with UHPFRC jackets, Bruno MASSICOTTE, Guillaume BOUCHERPROULX, UHPFRC 2009 – November 17th & 18th – Marseille, France] est riche d’enseignement.

Ces piliers de ponts présentaient à leur base une déficience en armatures d’efforts tranchant (cadres) et en longueur de recouvrement des armatures provenant des fondations avec celles du pilier :

Le béton original a été démoli à l’aide d’un marteau piqueur jusqu’à une profondeur de 25 mm derrière les barres de chevauchement de manière à ce que le BFUP de remplacement puisse enrober complétement les deux barres.

Les conclusions du projet sont les suivantes : les essais (laboratoire) de déplacement en tête sur une reconstitution d’un pilier représentatif ont été concluants. Le déplacement en tête n’a pas permis d’abîmer la surface du BFUP mais il a permis d’atteindre la résistance ultime des barres d’armatures.

BFUP avec armatures passives -->
- L’éclatement du béton d’enrobage est évité
- Le confinement des armatures est assuré
- Les longueurs de recouvrement des armatures passives sont diminuées

UHPFRC 2017 - 3ème symposium international sur les applications des Bétons fibrés à ultra-hautes performances à Montpellier

Ces dernières conclusions sont à rapprocher de celles du projet Badifops. Des essais similaires ont été réalisés sur des poteaux chemisés de BFUP [SEISMIC DUCTILITY OF UHPFRC COLUMNS: SOME RESULTS - Pierre Marchand, Florent Baby, Grégory Généreux, Alain Simon, Wafae
Mazighi Jean-Paul Deveaud, Jean Ernult, Philippe Rivillon, François Toutlemonde, UHPFRC 2017 – October 2sd & 4th – Montpellier, France]]. L'objectif d'application était le renforcement des pieds de poteaux des vieux ponts français non conçus pour résister aux séismes (et qui devraient aujourd'hui l'être vis-à-vis de la nouvelle règlement parasismique en France). Les conclusions sont les suivantes :

Le chemisage BFUHP améliore de manière significative le comportement du béton en compression. Mais l’échec vient des armatures longitudinales, l’impact sur le comportement sismique et la ductilité est relativement limité par rapport aux spécimens non chemisés. Par conséquent, le chemisage BFUHP ne convient pas à une mise aux normes sismiques de vieux ponts Français actuels avec des piliers en forme de mur. Une telle adaptation serait plutôt plus approprié pour les colonnes avec des ratios d’armatures longitudinales plus élevés. Les colonnes BFUHP montrent une bonne ductilité en ce sens qu’ils peuvent tenir la charge axiale pendant plusieurs cycles. Cependant, le moment fléchissant diminue relativement rapidement durant les cycles à cause des fibres qui sont arrachées progressivement. Néanmoins, le comportement sous compression semble être très bon en vertu de la succession des cycles de recharge.

 

FD P 06-031 (GUIDE D'APPLICATION DE L'EUROCODE 8) DE L'ANNEE 2015.

Ce fascicule de documentation édité par l'AFNOR précise le point suivant :

La NF EN 1998-1 permet-elle d'envisager des structures primaires en béton BFUP ?

Un béton BFUP est un Béton Fibré à Ultra-hautes Performances, qui possède une résistance à la compression élevée et une certaine résistance à la traction. Il peut comporter des armatures de béton armé pour un fonctionnement de type béton armé ou de type précontraint.

Le développement de ces bétons est en pleine évolution et les règles de calcul les concernant, en situation non sismique, sont en cours d'élaboration. À terme, on peut donc raisonnablement penser que ces bétons seront aptes à réaliser des structures primaires en situation sismique. Mais, en l'état actuel, ces bétons ne rentrent pas dans le domaine d'application de la NF EN 1998-1 et de son Annexe Nationale.

Lorsqu'un procédé n'est pas couvert par une norme, son utilisation est possible par le biais d'une procédure spécifique : ETE (Evaluation Technique Européenne), Avis Technique, etc. Dans tous les cas, l'utilisation visée dans le cadre du projet doit faire l'objet de justifications appropriées s'appuyant d'une part, sur les prescriptions de la NF EN 1992-1-1, d'autre part, sur les principes de la NF EN 1998-1.

Recommandations de l'AFGC sur les Bétons fibrés à ultra-hautes performances - Edition révisée Juin 2013

Le chapitre 2.7 "Comportement sismique des structures en BFUP" apporte des éléments intéressants sur ce sujet :

Les performances du matériau BFUP permettent souvent de dimensionner des structures élancées, et donc souples vis-à-vis des sollicitations horizontales, ce qui est favorable pour l’obtention d’efforts sismiques modérés. Sans véritablement atteindre la ductilité post-fissuration des structures en béton armé, les structures en BFUP sont aptes, quand elles sont bien conçues, à faire face aux sollicitations sismiques.
Des essais ont montré que le comportement des BFUP sous chargement cyclique alterné peut être satisfaisant (voir les exemples de l’Annexe 12 des recommandations) et par ailleurs, le confinement latéral du béton apporté les fibres permet de remplacer au moins partie des armatures transversales traditionnelles nécessaires à la ductilité (voir Annexe 12). Cependant, l’ensemble des données aujourd’hui disponibles, expérimentales entre autres, sur le comportement au séisme de structure en BFUP n’est pas suffisant pour adapter de façon complète les spécifications de l’Eurocode 8 concernant le dimensionnement des structures en béton armé ou précontraint. Il est en particulier difficile d’établir des valeurs du coefficient de comportement q. On propose dans ce qui suit quelques éléments clefs qui peuvent être retenus par défaut pour la conception en zone sismique.


Dimensionnement de structures faiblement sollicitées sous séisme

Dans les zones de faible sismicité, il est possible de dimensionner des structures en BFUP en classe de ductilité DCL, avec un coefficient de comportement q = 1, donc sans réduction des efforts calculés en comportement élastique sans fissuration. Les sections sont ensuite justifiées à l’ELU selon les règles de l’Eurocode 2 transposées dans les présentes recommandations. Dans certains cas, les contraintes maximales de traction sous sollicitations sismiques resteront faibles, en deçà ou peu supérieures aux valeurs de traction entrainant la fissuration. Il ne sera alors pas nécessaire de dimensionner des armatures passives de renfort pour garantir la résistance de la structure au séisme
Dans les cas où la fissuration est avérée, le BFUP seul a encore des capacités de résistance sous sollicitations alternées. Le comportement n’étant plus linéaire, on pourrait considérer un coefficient de comportement q légèrement supérieur à 1. Il sera toutefois nécessaire d’en justifier la valeur par des essais (voir ci-dessous).


Dimensionnement pour de fortes sollicitations sismiques

Sous fortes sollicitations sismiques, il est généralement nécessaire de prévoir une conception avec formation de rotules plastiques et prise en compte d’un coefficient de comportement q supérieur à 1.
Contrairement aux éléments minces où l’on a une orientation préférentielle favorable des fibres, dans les éléments dit « épais » (à savoir pour lesquels la plus grande dimension dépasse trois fois la longueur des fibres, ce qui est généralement le cas pour les éléments verticaux porteurs des bâtiments ou des ouvrages d’art) le comportement post-fissuration des fibres seules n’a pas une ductilité suffisante pour permettre la création de véritables rotules plastiques.
Il sera donc nécessaire d’ajouter des armatures de renfort aptes à reprendre tout ou partie des efforts principaux de flexion. Dans le cas des structures dites « minces » (à savoir pour lesquelles la plus grande dimension est inférieure à trois fois la longueur des fibres), il pourrait être envisageable de concevoir des rotules plastiques sans renforts.
Dans tous les cas, la ductilité est à justifier par l’expérimentation. Ces essais sont à réaliser sur des éléments dont le comportement est estimé critique pour le comportement global de la structure, par exemple des poteaux et poutres dont les essais permettent de valider une capacité de rotation des rotules plastiques, à comparer aux exigences de l’Eurocode 8 à ce sujet.

NF P18-710 DE 2016

Les principales dispositions de l’annexe U sont les suivantes :

Coefficients partiels associés aux verifications sismiques pour le matériau : 1,2 pour le BFUP tendu, 1,3 pour le BFUP comprimé.
Il est admis que les éléments sont justifiés si leur comportement reste élastique, en tenant compte de leur inertie “non-fissurée” et d’un coefficient d’amortissement de 2 %, et que les effets des actions
sismiques restent inférieurs au moment ultime / effort normal résistant.
Lorsqu’une demande de ductilité est requise, elle doit être vérifiée expérimentalement. Pour cette vérification, le composant représentatif doit être soumis à au moins 5 cycles de chargement jusqu’au
déplacement ultime requis, et la chute de capacité portante correspondant à l’atteinte de ce déplacement au 5ème cycle doit rester inférieure à 20 % de la charge maximale.